直驅型風力發電系統概述

　　1 引 言

　　隨著風電機組單機容量的增大，雙饋型風電系統中齒輪箱的高速傳動部件故障問題日益突出，于是沒有齒輪箱而將主軸與低速多極同步發電機直接連接的直驅式布局應運而生;從中長期來看，直驅型和半直驅型傳動系統將逐步在大型風電機組中占有更大比例，另外在傳動系統中采用集成化設計和緊湊型結構是未來大型風電機組的發展趨勢。在大功率變流技術和高性能永磁材料日益發展完善的背景下，大型風電機組越來越多地采用pmsg，pmsg不從電網吸收無功功率，無需勵磁繞組和直流電源，也不需要滑環碳刷，結構簡單且技術可靠性高，對電網運行影響小。pmsg與全功率變流器結合可以顯著改善電能質量，減輕對低壓電網的沖擊，保障風電并網后的電網可靠性和安全性，與雙饋型機組(變流器容量通常為1/3風電機組額定功率)相比，全功率變流器更容易實現低電壓穿越等功能，更容易滿足電網對風電并網日益嚴格的要求。

　　中國風電行業發展迅速，但與國際發展水平還有很大差距，目前主要依靠進口，對外依賴性強;基于pmsg和背靠背雙pwm變流器的直驅型風電系統是一種發展很快的技術，具有優良的性能，國外大型風電廠商已有成熟的直驅風電產品，國內在理論研究與產品性能方面，都還亟需提高與改進，因此很有必要對其涉及的關鍵技術進行研究。

　　2 直接驅動型風力發電系統介紹

　　圖1是典型的永磁直驅型變速恒頻風力發電系統，包括永磁同步發電機(pmsg)和全功率背靠背雙pwm變流器，無齒輪箱。pmsg通過全功率變流器直接與電網連接，通常極對數較多，低轉速，大轉矩，徑向尺寸較大，軸向尺寸較小，呈圓環狀;由于省去了齒輪箱，從而簡化了傳動鏈，提高了系統效率，降低了機械噪聲，減小了維修量，提高了機組的壽命和運行可靠性;發電機通過變流器與電網隔離，因此其應對電網故障的能力更強，與dfig風電系統相比，更容易實現低電壓穿越功能。但是永磁材料目前的成本仍然較高;變流器容量較大，損耗較大，變流器的成本較高。理論上永磁體在高溫時存在失磁的風險，但是近年來隨著永磁材料性能的不斷提高、價格的下降，pmsg+全功率變流器已經成為一種很有吸引力和應用前景的方案[3-4]。目前，zephyros，mitsubishi，新疆金風等在市場上有這類產品。

　　針對圖1的pmsg直驅型風電系統，還可以采用電勵磁同步發電機(electrically excited synchronous generator，eesc)，通常在轉子側進行直流勵磁。使用eesc相比使用pmsg的優勢在于，轉子勵磁電流可控，可以控制磁鏈在不同功率段獲得最小損耗;而且不需要使用成本較高的永磁材料，也避免了永磁體失磁的風險，enercon公司主要經營這類產品。但是eesc需要為勵磁繞組提供空間，會使電機尺寸更大，轉子繞組直流勵磁需要滑環和電刷。pmsg由于不是標準產品，在尺寸及結構上有很大的靈活性，根據磁通分布可以分為以下幾類：徑向磁通永磁電機(radial flux pm machine，rfpm)、軸向磁通(axial flux pm machine，afpm)和橫向磁通(transversal flux pm machine，tfpm)，其中rfpm結構簡單穩固，功率密度更高，在大功率直驅型風電系統中得到了較多應用。

　　目前市場上已有的直驅型風力發電系統產品，根據發電機類型、額定功率和轉速以及廠家的不同，可以匯總得到表1。

　　表2給出了幾個廠家直驅風力發電機的比較，包括風力發電機類型、轉子速度、轉矩、直徑、總質量、質量轉矩比等。

　　3 直驅風電變流器

　　電力電子變流器作為風力發電與電網的接口，作用非常重要，既要對風力發電機進行控制，又要向電網輸送優質電能，還要實現低電壓穿越等功能;隨著風力發電的快速發展和風電機組單機容量的不斷增大，變流器的容量也要隨之增大，因此大容量多電平變流器也開始得到應用，以下將對一些典型變流器拓撲結構進行討論。

　　從圖1中可以看到，典型的永磁直驅變速恒頻風電系統中，采用背靠背雙pwm變流器，包括電機側變流器與電網側變流器，能量可以雙向流動。對pmsg直驅系統，電機側pwm變流器通過調節定子側的dq軸電流，實現轉速調節及電機勵磁與轉矩的解耦控制，使發電機運行在變速恒頻狀態，額定風速以下具有最大風能捕獲功能。電網側pwm變流器通過調節網側的dq軸電流，保持直流側電壓穩定，實現有功和無功的解耦控制，控制流向電網的無功功率，通常運行在單位功率因數狀態，還要提高注入電網的電能質量。背靠背雙pwm變流器是目前風電系統中常見的一種拓撲，國內外對其研究較多，主要集中在變流器建模、控制算法以及如何提高其故障穿越能力等方面[8-9]。國外公司如abb、alstom，國內公司如合肥陽光電源等，均有這類變流器產品。

　　對直驅型風電系統，變流器拓撲的選擇較多。圖2是不控整流+boost變換器+逆變拓撲結構，通過boost變換器實現輸入側功率因數校正(power factor correction，pfc)，提高發電機的運行效率，保持直流側電壓的穩定，對pmsg的電磁轉矩和轉速進行控制，實現變速恒頻運行，在額定風速以下具有最大風能捕獲功能。國外enercon公司的直驅風電系統e82(2mw)、國內合肥陽光電源的小型并網風力機變流器使用這種拓撲。

　　隨著風電機組單機容量的不斷增大，風電變流器的電壓與電流等級也在不斷提高，因此多電平變流器拓撲得到了廣泛關注。變流器采用多電平方式后，可以在常規功率器件耐壓基礎上，實現高電壓等級，獲得更多級(臺階)的輸出電壓，使波形更接近正弦，諧波含量少，電壓變化率小，并獲得更大的輸出容量。圖3是直驅風電系統中三電平背靠背雙pwm變流器拓撲，與兩電平雙pwm變流器相比，功率器件和電容增加了一倍，并額外增加了箝位二極管;直流側電容由兩個完全一樣的電容串聯組成，電容的中點作為變換器的箝位點，由網側變換器保持直流側兩個電容的電壓均衡。這種結構在風電中的應用目前已經比較成熟，對其的研究很多，主要集中在控制策略的優化上[11-12]。目前，世界范圍內從事大功率風力發電用變流器和高壓變頻器研制的一些公司，都有多電平的產品方案;abb用于風力發電的變流器如acs1000，整流器采用12脈沖二極管整流，逆變器采用三電平npc結構，器件采用igct;siemens也有相似的應用，功率器件采用高壓igbt;法國alstom公司采用飛跨電容型四電平拓撲，功率器件采用igbt，另外還基于igct開發出了飛跨電容型五電平變頻器。

　　4 國外直驅風電產品及應用

　　直驅風力發電技術是近年發展起來的先進技術，技術已經比較成熟，是未來風電技術的發展方向，目前國外生產直驅風電產品的幾大廠家有enercon、ge、abb、siemens等。

　　enercon公司直驅風電機組采用電勵磁同步發電機，直驅環形發電機，無齒輪箱，采用enercon變流器;其中e70額定功率為2300kw，轉速范圍為6~21.5r/min，e82額定功率為2000kw，轉速范圍為6~19.5r/min。enercon風電機組當電網出現問題時，可以保持并網，如果需要，當故障出現時風電機組還能通過輸送無功功率，實現支持電網電壓的功能，在故障被修復、電網電壓已經恢復后，風電機組立刻恢復供電;文獻[13]提供了enercon直驅同步電機系統-e66的仿真和測試結果，傳遞到電網的短路電流值只取決于變流器系統的功率等級并且可以控制，提供了電網短路期間系統輸出的有功功率曲線;風電機組在故障期間提供減少的功率輸出，在故障消除后，立刻傳送額定功率，剩余的發電機功率不能被傳送到電網側，由于故障及隨之的電壓跌落，被轉化為附加電阻上的熱能，因此，故障對發電機機械力矩的影響被降到最低。

　　abb可以提供客戶定制的pmsg，功率范圍為500~5000kva，極對數為4~60甚至更多，轉速范圍0~2000r/min，可以適用于陸上或海上風電，轉子永磁材料采用釹鐵硼(ndfeb)。abb提供低速、中速與高速永磁同步電機，低速電機對應無齒輪箱直驅應用，結構簡單，可靠性高，維護量最少;中速電機對應半直驅應用，集成了低速齒輪箱，尺寸較小，維護量較少;高速電機類似于雙饋電機，具有較小的尺寸，但是沒有滑環，電機具有較少的維護量。multibridm5000海上風電機組使用pmsg與全功率變流器，額定輸出功率為5.5mva，電機轉速范圍為58.6~146.9r/min，包含一級行星齒輪，變速比為1:9.92，變流器具有四象限運行功能，輸出功率因數范圍-0.9至0.9，變流器冷卻方式為水冷，變流器總效率》97.5%;除此之外還有以下幾個特別的控制特征：對電網故障的“穿越功能”，無功控制能力，網側的“statcom功能”，持續和動態電壓控制;電機側變流器使用直接轉矩控制，具有快速控制、魯棒性、高可用性、高品質等優點。

　　ge風電的低電壓穿越技術能使風電機組在主要的電網故障發生時保持并網并向電網輸送無功功率，使風電機組能夠滿足和火力發電類似的傳輸可靠性標準。通過提高發電機組和控制設計，lvrt技術能使風電機組在出現嚴重電網擾動時可以不間斷運行;windvar技術能夠提高系統穩定性，在電網需要時快速向電網提供無功，減少電壓崩潰的危險，降低電網解列的影響，lvrt和windvar功能可以較好地提高風電機組運行的可靠性，確保風電作為一個“好鄰居”加入電網。通用電氣是在低電壓穿越與無功支持方面研究較早的公司，文獻[14]中說明了一種風力渦輪發電機控制系統，包括在各個發電機附近相對較快的電壓調整和在變電站處或風力發電的場級處相對較慢的整體無功功率調整，無功調節通常以風電場接入點電壓水平為控制目標，利用風力發電機自身的無功能力達到控制電壓的目的，單臺風力渦輪發電機需要具備通過快速電壓控制調節自身輸出無功功率的功能，但是多臺發電機均自行調節輸出無功功率，可能加劇電壓的波動，因此該專利中引入了場級無功功率調節來協調多臺風力發電機的無功功率控制，獲得更好的風電場電壓控制效果。

　　從國外直驅風電產品及其應用來看，為適應新的電網規則對lvrt和無功支持的要求，都已將這些功能集成到其產品中，可見低電壓穿越與無功支持已經成為大型風電機組必須具備的重要功能之一。

　　5 國內直驅風電產品及應用

　　目前國內從事永磁直驅風電產品研發與生產的企業正在增多，有新疆金風科技、湘電風能、合肥陽光、許繼集團、北京科諾偉業和沈陽工業大學風能技術研究所等。國內直驅風電機組的技術來源主要有以下幾類[15]：

　　(1)引進國外的設計圖紙和技術，或者與國外技術公司聯合設計，在國內進行制造和生產，如金風科技引進的1200kw、1500kw風電機組，目前已在國內批量生產和供貨;

　　(2)購買國外成熟的風電技術，在國內進行許可生產;

　　(3)與國外公司合資，引進國外的成熟技術在國內進行生產，如湘電風能等公司;

　　(4)利用國內大學和研究機構自行設計的風電機組進行生產，如沈陽華創、北京科諾偉業等公司。以下對國內公司直驅風電產品進行介紹與說明。

　　新疆金風直驅風力發電機組采用直驅永磁同步發電機與igbt變流器，設計使用壽命20年。其中，金風82/1500kw，額定轉速與轉速范圍為17.3(9-17.3)r/min，功率因數調節范圍為-0.98至0.98可調，額定出力的功率因數≥0.98，額定輸出電壓690v，輸出頻率變化范圍50±0.4hz;金風77/1500kw，額定轉速與轉速范圍為17.3(9-19)r/min，功率因數調節范圍為-0.95至0.95可調;金風70/1500kw，額定轉速與轉速范圍為19(9-19)r/min，額定出力的功率因數≥0.98;金風1200kw，轉速范圍為11-20r/min，額定出力的功率因數≥0.98(可調節，可發無功)。

　　湘電風能的直驅風電機組采用永磁同步發電機(直驅-無齒輪箱)，具有效率高、系統可靠、維護簡單、噪聲小及上網電源質量好等明顯優勢。發電機是多極永磁發電機，直接安裝在輪轂上，由永磁體提供轉子勵磁，所以不需要外勵磁場，與帶外勵磁場的繞線轉子比較，發電機的損耗可降低25%;定子外部裝有冷卻風扇，由空氣冷卻;發電機通有經過濾的干燥循環空氣，保證了發電機內的溫度均勻，當密封處稍有泄漏時，保證發電機的內部為正壓，因此灰塵和鹽霧不可能進入到發電機內。其中z72/1500kw在額定功率時的轉速為18r/min，z72/2000kw在額定功率時的轉速為23r/min，z82/2000kw在額定功率時的轉速為19r/min。

　　北京科諾偉業科技有限公司的變速恒頻風力發電機組變流器(直驅式)，采用先進的dsp控制和大功率變流技術，實現風電機組低轉速變速運行，最大程度地吸收風能，主要應用于1mw、1.5mw、2.0mw直驅式變速恒頻風電機組;具有以下功能特點：大功率變流技術，模塊化并聯技術，最大風能捕獲技術，零沖擊并網控制，無速度傳感器控制技術和光纖隔離技術等。

　　合肥陽光電源全功率風力發電機組用變流器采用薄膜電容作為直流支撐電容，確保電容器20年壽命，具有四象限運行功能，確保風力機在低風速時多發電，模塊化設計，安裝維護方便，變流器冷卻方式為風冷。其中wg850kfp，wg1500kfp和wg2000kfp，額定功率分別為850kw，1500kw和2000kw，額定功率下的效率≥97%，響應時間《15ms，電網電壓690v(+10%~-20%)，電網頻率47.5~51.5hz。

　　許繼集團的fbl200系列風電機組變流器適用于2mw及以下直驅式風力發電系統，不僅適合于垂直軸風電機，而且也適用于水平軸風電機系統，變流器冷卻方式為強制風能或水冷。輸入交流線電壓有效值范圍：552v～828v(六相輸入，兩個三相繞組相位差30°)，輸入交流電壓頻率范圍：8~20hz;輸出電壓適應范圍：(1±10%)690v，輸出頻率適應范圍：(50±0.5)hz，輸出額定有功功率：1.5mw，輸出電流總畸變率：thd《5%，其中奇次諧波4%，偶次諧波2%。

　　沈陽工業大學風能技術研究所1.5mw直驅式、混合式變速恒頻風電機組采用永磁同步電機與全功率igbt變流器，電機冷卻方式為強制風冷，變流器冷卻方式為水冷，具有四象限運行功能。其中sut70-1500d為直驅型，無齒輪箱，轉速范圍為12-20r/min;sut70-1500h為混合型，半直驅，使用一級行星齒輪箱，變速比為1:8，轉速范圍為80-160r/min。

　　國內直驅風電產品目前都還沒有考慮低電壓穿越功能，在性能與可靠性等方面與國外產品還有一定差距，目前我國還沒有相關風電機組低電壓運行的強制性要求，但是即將會有類似標準出臺，也說明了研究直驅風電機組變流器及其低電壓穿越技術具有一定的重要性與現實意義。

　　6 結束語

　　使用全功率變流器的直驅風力發電系統目前在國內的應用越來越多，但對其關鍵技術的研究起步較晚，技術水平目前與世界先進水平尚有較大差距;隨著永磁材料價格的下降、永磁同步電機性能的提高以及風電機組單機容量的不斷增大，永磁直驅風電系統在性能、可靠性和低電壓穿越方面逐漸具有一定的優勢，對其所涉及技術的研究在掌握永磁直驅風電系統自主知識產權、產業化方面具有非常重要的意義。